Pasivní dům v číslech

Pasivní domy byly ještě před nedávnem počítány na prstech ruky a počet lidí, kteří věděli, o co jde, nebyl významně vyšší. Dnes jich stojí stovky a co je hlavní, slovní spojení pasivní dům se skloňuje takřka v každé rodině. Tato výstavba má své zvláštnosti, kterým se budeme věnovat v tomto článku a také v průběhu celého následujícího pololetí.

Pasivní dům (PD) má roční měrnou potřebu energie na vytápění do 15 kWh/(m²rok). Jde o energii, kterou musíme pokrýt nějakým zdrojem (topidlem). Další potřebné teplo produkují bydlící osoby, domovní elektrospotřebiče nebo sluneční záření, které vniká do domu okny. Počítá se ale jen jeho využitelná část, která slouží k docílení požadované pobytové teploty.

Definice pasivního domu

Dotační program Zelená úsporám (ZÚ) zavedl svou definici pasivního domu, která stanoví roční měrnou potřebu tepla na vytápění krytou zdroji do 20 kWh/(m²rok). Předpis TNI 73 0329 [1], kterým se program ZÚ řídí, zavedl pak druhý energetický požadavek, aby potřeba primární energie na vytápění, přípravu teplé vody a technická zařízení pasivního domu nepřesáhla 60 kWh/(m²rok). Zároveň zavedl pro celou ČR jednotné klimatické podmínky (dané tab. 1 v [1]). To znamená, že pasivní dům z polabské nížiny zůstává pasivním při správné orientaci i v Jeseníkách, i když se energetickou spotřebou budou lišit.

Primární energii definujeme jako energii z neobnovitelných zdrojů, tedy z uhlí, ropy, plynu, uranu. Jejich alternativou jsou obnovitelné zdroje, kam řadíme zejména energii slunce, geotermální energii a biomasu. Energii pro vytápění a ostatní provoz domu přepočítává program ZÚ na primární podle tab. 1.

Zdroj	Faktor přeměny (kWh/kWh)
Zemní plyn a další fosilní paliva	1,1
Elektrická energie	3,0
Dřevo a ostatní biomasa	0,05
Dřevěné peletky	0,15
Solární systémy termické	0,05
Solární systémy fotovoltaické	0,20

Tab. 1: Faktor energetické přeměny pro přepočet spotřeby energie na hodnoty primární energie. Převzato z [1].

Příklad 1: Pasivní dům o vytápěné podlahové ploše 150 m² potřebuje, aby mu otopná soustava dodala za rok do 2,25 MWh/rok (=150 m² × 15 kWh/m²/rok) tepla. Respektive v programu ZÚ o 1/3 více. Je-li zdrojem tepla elektřina, zaplatíme cca do 4 500 Kč, resp. 6 000 Kč. K tomu by mělo stačit jen malé zařízení, fén, o výkonu 1 až 2 kW pro dohřev vzduchu v období mrazů a zařízení pro nucené větrání s rekuperací.

Rodina, jejíž členové váží dohromady 200 kg, vyžaduje při běžné pohybové aktivitě dodávku 260 m³ čerstvého vzduchu za hodinu, aby obsah CO₂ nepřekročil zdravotní hranici 700 ppmv (čerstvý vzduch venku má 400 ppmv CO₂). Ukazuje to výpočtový program [3]. Jen za leden by se při průměrné teplotě –1 °C s odváděným vzduchem vyvětralo bez rekuperace cca 1,37 MWh tepla, po přepočtu na podlahovou plochu 9,1 kWh/m². A za zimu víc, než může pasivní dům „protopit” za celý rok. Pro srovnání: když rodina intenzivně pracuje nebo cvičí, znamená to měnit 810 m³ vzduchu za hodinu. Výměna vzduchu probíhá jednak netěsnostmi domu a jednak pomocí rekuperačního zřízení. To je vhodné volit tak, aby reagovalo na okamžitou potřebu, nikoliv pracovalo s konstantní výpočtovou výměnou 25 m³/h × 0,7 na osobu podle projektovaného obsazení domu.

Požadavek na potřebu tepla pasivního domu nezohledňuje, když otopné zařízení využívá obnovitelný zdroj energie. Můžeme ale počítat s tím, že významnou část potřeby tepla můžeme krýt slunečním zářením, pronikajícím okny, a teplem od bydlících osob a domácích elektrospotřebičů (bez technických zařízení).

Příklad 2: Ponechme náš pasivní dům prázdný, se staženými roletami, jen se zapnutým zdrojem elektrického vytápění. Po roce zjistíme, že jsme protopili 8,25 MWh/rok elektřiny. Roční měrná potřeba tepla tedy byla 55 kWh/(m²·rok) a roční měrná potřeba primární energie, viz tab. 1, třikrát větší, tzn. 165 kWh/(m²·rok). Ani zdaleka to nevypadá, že jde o pasivní dům.

Zvolíme-li jako zdroj tepla kotel na dřevo, zůstane roční měrná potřeba tepla stejná, ale roční měrná potřeba primární energie klesne na 2,75 kWh/(m²·rok). Jsme tedy na dobré cestě splnit druhý požadavek TNI [1] na spotřebu primární energie do 60 kWh/(m²rok).

Vytáhněme nyní rolety, pro něž energetický technik určil na základě TNI [1] měrný využitelný tepelný zisk o hodnotě 30 kWh/(m²·rok). Tím se dostaneme na roční měrnou potřebu tepla už jen 25 kWh/(m²·rok) a měrnou potřebu primární energie jen 1,25 kWh/(m²·rok).

A když do pasivního domu konečně nastěhujeme rodinu, pro níž technik vypočítá, že poskytne využitelné měrné celoroční teplo (včetně elektrospotřebičů, které bude používat) 12 kWh/(m²·rok), bude roční měrná potřeba tepla našeho pasivního domu 13 kWh/(m²·rok) a měrná potřeba primární energie jen 0,65 kWh/(m²·rok). Rodina samozřejmě bude ohřívat vodu, provozovat vzduchotechniku a rekuperační jednotku. Hlavní položka, ohřev vody, znamená pro čtyřčlennou rodinu podle TNI [1] celoroční potřebu 2,2 MWh/rok, v měrných jednotkách 14,67 kWh/(m²·rok). To odpovídá měrné potřebě primární energie 44 kWh/(m²·rok) při ohřevu elektřinou, 14,67 při ohřevu tepelným čerpadlem s COP = 3 a jen 0,73 při ohřevu dřevem.

Budova – běžná s převažující návrhovou vnitřní teplotou 18 °C až 22 °C	Požadované	Doporučené	Doporučené pro PD
Stěna vnější	0,30	těžká: 0,25 lehká: 0,20	0,18 až 0.12
Střecha strmá se sklonem nad 45° včetně	0,30	0,20	0,18 až 0.12
Střecha plochá a šikmá se sklonem do 45° včetně	0,24	0,16	0,15 až 0.10
Strop nad nevytápěnpu půdou (se střechou bez tep. izolace)	0,30	0,20	0,15 až 0.10
Podlaha s stěna přilehlá k zemině (u vytápěného prostoru)	0,45	0,30	0,22 až 0.15
Výplň otvoru ve vnější stěně a strmé střeše	1.5	1.2	0.9
Šikmá výplň otvoru se sklonem do 45°	1.4	1.1	0,8 až 0.6
Dveře z vytápěného prostoru ven	1.7	1.2	0,9

Tab. 2: Požadované, doporučené a doporučené hodnoty součinitelů prostupu tepla pro pasivní domy podle ČSN 73 0540-2:2011.

Vlastnosti pasivních domů

Již z uvedených definic a příkladů zřetelně plyne, že pasivní domy se od většinových zásadně liší. A to nejen potřebou tepla a energií na provoz. Odlišný je i způsob chápání těchto domů a styl života, který nabízejí. Jde o velmi zdravé bydlení, kde kvalita vzduchu odpovídá čerstvému venkovnímu vzduchu a teploty se vždy udržuji na příjemných hodnotách od 20 °C v zimě do 27 °C v létě. Shrňme základní charakteristiky PD:

• Pasivní dům má velmi nízkou potřebu energie k vytápění, kterou lze krýt zdrojem s velmi malým výkonem.
• Potřeba tepla je převážně kryta slunečními zisky, bydlícími osobami a provozem domácích spotřebičů. Tepelný zdroj kryje cca čtvrtinu celkové potřeby tepla.
• Potřeba tepla pro ohřev vody je stejná nebo vyšší, než potřeba tepla krytá zdroji.
• PD má i nízkou potřebu primární energie za provoz, které dociluje vyžitím spalného tepla dřeva, termických a fotovoltaických solárních zařízení, případně tepelných čerpadel. Těmito zařízeními nahrazuje zejména elektřinu z rozvodné sítě.

Základy plánování pasivního domu

Rozhodující je především velikost tepelně izolačních vlastností střechy, obvodových stěn, spodní podlahy a oken. Je vhodné se řídit konkrétními hodnotami podle tab. 2, která čerpá z návrhu normových hodnot součinitele prostupu tepla pro pasivní domy uvedeného v [2]. Okna pro PD mají velkou stavební hloubku a obsahují tepelně izolační trojskla anebo rovnocenně dvojskla s meziskelní termoreflexní fólií Heat Mirror. Tloušťky tepelných izolací ve stěnách dosahují až 45 cm, ve střeše až 60 cm.

Když je toto splněno bude dosažení pasivity záviset na těchto okolnostech:

• způsobu užívání domu (specifikovaným v projektu),
• natočení vůči světových stranám,
• ploše oken orientovaných na jih,
• velikosti, tvaru a vnitřní dispozici domu.

Veličina	Označení	Jednotka	Požadavek
Střední hodnota součinitele prostupu tepla	Uem	W/m2K	≤ 0,22
Účinnost rekuperace	η	%	≥ 75
Neprůvzdušnost obálky budovy	n50	1/h	≤ 0,6
Nejvyšší teplota vzduchu v pobytové místnosti	θi	°C	≤ 27
Měrná spotřeba tepla na vytápění	EA	kWh/m2a	≤ 20
Potřeba primární energie na vytápění, teplou vodu a technická zařízení	PEA	kWh/m2a	≤ 60

Tab. 3: Základní požadavky na pasívní domy podle TNI 73 0329. Převzato z [1].

Způsob užívání domu

Z příkladu 2 plyne, že počet přítomných osob zásadně ovlivňuje spotřebu tepla krytou zdroji. Předpis [1] udává, že na jednu osobu (bez rozdílu věku) připadá produkce tepla o výkonu 100 W, v čemž je zahrnuto její metabolické teplo a teplo z domácích spotřebičů, které používá. Pro účely posuzování spotřeby tepla se toto číslo vynásobí navrhovanou obsazeností domu a k tomu se připočte 100 W (za sdílené spotřebiče). Výsledek se pak vynásobí faktorem 0,7 vyjadřující podíl přítomnosti osob.

Tříčlenná rodina tak podle TNI 73 0329 produkuje teplo o výkonu 400 × 0,7 = 280 W, čtyřčlenná 350 W atp. Za sedm topných měsíců od října do dubna jde o energii 1,425 MWh pro tříčlennou, 1,781 MWh pro čtyřčlennou a 2,137 MWh pro pětičlennou rodinu. Což dělá 17,2 %, resp. 21,6 %, resp. 25,9 % z celkové potřeby tepla PD 8,25 MWh/rok z příkladu 2.

Pokud nám tedy pasivita domu nevychází, stačí často jen navrhnout do dokumentace vyšší obsazenost domu, na čtyři nebo pět osob a vnitřní dispozice naplánovat tak, aby se, pokud možno, nezměnila vytápěná plocha. Není to ale jediná možnost.

Solární zisky v zimě

Předpis TNI [1] nabízí velké možnosti pro využití tepla ze slunečního záření, které v zimě prochází do budovy. Neumístěný (typový) návrh pasivního domu by měl mít na největší, jižní straně velkou plochu oken, za nimiž by měly být hlavně obytné místnosti.

Přestože okna do PD mohou mít podle [1] až desetkrát horší tepelněizolační vlastnosti než stěny, kouzlo je následující: Tabulka 1 v TNI 73 0329 [1] uvádí dlouhodobé průměrné měsíční teploty a průměrné měsíční intenzity slunečního záření, které dopadá na svislé stěny orientované do osmi světových stran a na horizontální rovinu. A právě jižně orientovaná svislá okna mají i v nestudenějších měsících (prosinec, leden) větší průměrný celoměsíční solární tepelný zisk, než je jejich průměrná celoměsíční ztráta tepla prostupem.

To znamená, že čím více oken se nám podaří orientovat na jich, tím lepší bude měrná spotřeba energie na vytápění. Aby tedy PD dobře vyšel, je vhodné jeho největší plochu orientovat na jih a tu co nejvíce osadit okny (v neprospěch severních). Ideální je osadit celou jižní plochu okny, pokud tomu nebrání požadavek v tab. 3, že střední hodnota součinitele prostupu tepla celého domu musí být U_em ≤ 0,22 W/(m²K).

Tvar, orientace a uspořádání domu

Rozhodný parametr pasivního domu je potřeba energie na vytápění tepla vztažená na jeden m² vytápěné podlahové plochy, která v programu ZÚ nesmí převýšit 20 W/(m²rok). Protože potřeba tepla závisí na celkové vnější ploše domu, budeme logicky hledat tvar budovy a její vnitřní uspořádání, aby vytápěná podlahová plocha byla ve srovnání s celkovou vnější plochou co největší.

Možností, jak pracovat s tvarem a podlahovou plochou, je doslova nepřeberně. Následující příklad přibližuje jen základní geometrické relace ovlivňující určení pasivity domů.

Příklad 3: Přízemní dům tvaru kvádru o zastavěné ploše 7×12 m a výšce 3,5 m má vnitřní podlahovou plochu 66 m². Poměr P podlahové plochy ku ploše vnější obálky domu je P = 0,219. Při měrné spotřebě energie na vytápění 29 W/(m²rok) tak jedním m² obálky uniká 29×0,219 = = 6,35 W/(m²rok) tepla ze zdrojů.

Dvojpodlažní dům o stejné zastavěné ploše a výšce 6,5 m s plochou podlah 132 m² má už P = 0,318 – tedy o 45 % větší. Při stejné měrné ztrátě topného tepla obálkou 6,35 W/(m²rok), což platí jen přibližně, lze zpětně odhadnout měrnou potřebu otopné energie na cca 6,35÷0,318 ≈ 20 W/(m²rok). Přiblížili jsme se tak pasivnímu domu.

Podaří-li se navíc zeslabit obvodovou stěnu při zachování izolačních účinků (volbou lepšího izolantu anebo stěnového systému), zvětšíme tím podlahovou plochu. V případě našeho patrového domu 7×12×6,5 m znamená zeslabení obvodových stěn z 50 na 40 cm zvýšení poměru na P = 0,335. Odhad rozhodného parametru je 6,35÷0,335 ≈ 19 W/(m²rok) měrné spotřeby energie na vytápění.

Pasivní dům a pestrost řešení

Sluneční pasivní domy, jak byly popsány, ne hned každého fascinují. Důvodem jsou právě tepelné zisky ze slunečního záření, kvůli nimž orientujeme dům tak, aby se ho okny dostalo dovnitř co nejvíc. V listopadu, prosinci a lednu to jistě přijde vhod, ale co se slunečními zisky od května do září?

Další otazník vyvolávají výpočty podle průměrných měsíčních teplot, které uvádí TNI. Např. pro leden to je –1 °C. Jak se ale budeme v PD cítit, jestliže v zimě přijde arktická vlna s nočními teplotami k –30 °C nebo v létě vlna veder s teplotami k 35 °C? Budeme potřebovat výkonné topidlo pro zimu a v létě chlazení?

Odpověď na druhou otázku je snadná. Při nejvyšší dovolené hodnotě střední hodnoty součinitele prostupu tepla U_m = 0,22 W/(m²K) našeho poschoďového PD z příkladu 3 a celkové ploše obálky 415 m² budeme při průměrné denní teplotě –15 °C potřebovat k docílení vnitřní teploty 20 °C tepelný příkon necelých 3,2 kW, v němž jsou zahrnuty i vnitřní tepelné zisky kolem 600 W pro pětičlennou rodinu. Naléhavější se spíše jeví otázka letních zisků.

Není problém dům vytopit, ale uchladit

Úmyslně zvětšenou plochou jižních oken by mohly v letních měsících vnikat dovnitř až dvojnásobná množství zářivé energie, než v zimě. K tomu je třeba přičíst zisky okny, které míří na východ a západ a které jsou v létě prakticky stejné s jižními. Plyne to mj. i z předpisu TNI [1]. Je dobré si také uvědomit, že prostup tepla není nezávislý na slunečním záření.

Část slunečního záření, které neprojde okny dovnitř jako solární zisk g, je absorbováno zasklením, které se v důsledku toho ohřívá. Stoupne li povrchová teplota vnitřní strany zasklení na úroveň vnitřní teploty nebo vyšší, ztrátový tok tepla prostupem skrze okna se zastaví, resp. obrátí směr – a okna začnou „topit”. V létě tedy osluněná okna nejenže propouští mohutný nadbytek slunečního záření, ale ohřívají se na 40 °C i více a vytápí. Možnosti, jak se před tím chránit, jsou v zásadě čtyři:

1: Použít stínící prvky s automatickým pohonem (žaluzie, rolety, okenice) na venkovní straně, které okamžitě reagují, když na ně zasvítí slunce.
2: Opatřit okna speciálním zasklením, které nepropustí infračervenou a krátkovlnnou složku slunečního záření. S tím ale ztratíme i část viditelného světla a to znamená zvětšit okna.
3: Zavést chladicí soustavu, která bude sluneční zisky pasivního domu přečerpávat zpět ven.
4: Posledním, ale ideálním řešením tohoto problému jsou severně orientovaná okna.

Bod 4 ale mnoho odborníků považuje za chybu. Argumentují, že se tím připravíme o zimní zisky, což musíme jinde dohnat. Např. zesílením tepelné izolace, snížením plochy oken ap. Dalším argumentem jsou zdravotní ohledy nebo varování před snížením pobytové pohody.

Zastánci severních oken považují výhrady za přehnané a tvrdí, že volba má naopak pozoruhodné výhody. Investor ušetří za drahou a občas poruchovou automatickou stínící techniku. Neřeší rušivé oslunění přímým sluncem, ani odvádění přebytků tepla.

Dobrý návrh oken a vnitřní dispozice zajistí výborné přirozené osvětlení i ze severní strany. Při deštivé obloze není rozdílu mezi jižním a severním oknem. Avšak vysvitne-li slunce, pak pohled na osluněnou scénu za severními okny je velmi příjemný. Ještě víc v létě, protože není třeba zatemňovat dům. Sluneční světlo, odražené k severním oknům od budov, stromů a dalších krajinných prvků nebo rozptýlené od oblohy, zajistí výbornou a očím příjemnou osvětlenost.

Téma: Domy s téměř nulovou spotřebou energie

Literatura a zdroje:

[1] Zjednodušené výpočtové hodnocení a klasifikace budov s velmi nízkou potřebou tepla na vytápění – Rodinné domy, Technická normalizační informace TNI 0329, Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a zkušebnictví, 2009.
[2] Jiří Šála: Tepelná ochrana budov pro nízkoenergetické a pasivní domy – podpora v ČSN 73 0540, Tepelná ochrana budov 3/2009, str. 21.
[3] Vydýchaný vzduch v bytě a jak správně větrat, http://www.stavebnictvi3000.cz/vypocty/vydychany-vzduch-a-jak-vetrat/
[4] Světelná účinnost zdrojů světla (žárovky, kompaktní zářivky, výbojky a dalších, www.stavebnictvi3000.cz/c2489.
[5] Účinný podíl sklonité plochy vůči celodennímu slunečnímu záření, http://www.stavebnictvi3000.cz/vypocty/denni-zisky/